DE1905718A1

DE1905718A1 - Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung

Info

Publication number: DE1905718A1
Application number: DE19691905718
Authority: DE
Inventors: Frederick Buckley; Fitzgerald Lawrence Patrick
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1969-02-05
Publication date: 1969-09-18
Also published as: DE1905718C3; DE1905718B2; FR1604093A; US3500032A; GB1245895A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH I 9 O 5 7 1 8

Böblingen, den 5. Februar 1969 mö-ha

Anmelderin : International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10

Amtliches Aktenzeichen : Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin : Docket EN 9-67-051

Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung, bei der die Funktionsgrössen durch elektrische Ströme dargestellt werden.

Derartige Schaltungen finden in erster Linie in der Analogschaltungstechnik Anwendung, z. B. bei Steuersystemen, Analog- und Hybridrechnern, auf dem Gebiet der Zeichenerkennung und in Schaltungen zur automatischen Verstärkungsregelung.

Während auf dem Gebiet der Digitaltechnik, woyvon jeher nur wenige Standardschaltungen aber in entsprechend hoher Stückzahl anfallen, die Festkörpertechnik zur Integration bereits seit langem Anwendung findet, werden zur Zeit grosse Anstrengungen unternommen, auch Schaltungen der Analog- und Linearverstärkerteehnik mit Festkörper-Schaltkreisen zu realisieren. Trägt man den besonderen Anforderungen dieser Technologie Rechnung, so ergeben sich Schaltungen, die ausgesprochen kandensatorarm und bevorzugt mit aktiven Elementen aufgebaut sind.

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. Dabei ist jedoch davon auszugehen, daß die verschiedenen Festkörperkomponenten, -wie Transistoren, Dioden, Widerstände usw. mit den gleichen Kosten hergestellt -werden können, also kein unbedingter Zwang für den aus Kostengi-ünden bevorzugten Einsatz von passiven Elementen vorliegt, wie das bei. der herkömmlichen Schal tungstechnik der Fall ist. - . ·-.-...

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf dem Gebiet der Analog-Technik eine Schaltung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung anzugeben, die diesen, besonderen Anforderungen hinsichtlich der-Realisierung in Festkörpertechnik voll Rechnung trägt. Dabei sollen keine Nachteile hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeitjder Genauigkeit und des Aussteuerungsbereiches in Kauf genommen werden müssen.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung, bei der die Funktionsgrös.sen durch elektrische Ströme dargestellt werden, ist die Erfindung gekennzeichnet durch. zwei jeweils in Differentialverstärkeraaordnung geschaltete Transistorpaare, die mit einem ersten bzw. zweiten Eingangs strom, als

exi ~

Summenstrom beaufschlagt werden, der entsprechende Basisanöchlüsse miteinander verbunden und an eine Bezugsspannungsquelle bzTxr. eine einen dritten Eingangs strom lief ernde Stromquelle angeschlossen sind, wobei der die jeweilige Schaltungsfuaktion darstellende Äusgangsstrom dem Kollektorsstrom eines der Transistoren proportional ist.

In einem vorteilhaften AusfUhrungsbeispiel ist vorgesehen, daß die nicht den Ausgangsstrom liefernden Transistoren der beiden in Differentialverstärkeranordnung geschalteten Transistorpaare bezüglich ihrer Kollektor-Basisstrecken, kurzgeschlossen sind, oder aber, daß alle Transistoren der beiden in. Differentialverstärkeranordnung geschalteten Transistorpaare bezüglich, ihrer Kollektor-Basis strecken kurzgeschlossen sind, wobei dann zwischen den Basisanschlüssen der '

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mit dem dritten Eingangs strom beaufschlagten Transistoren ein Trennverstärker eingeschaltet ist.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß zur Darstellung der Funktion , wonach der Aus gangs strom demProdukt des zweiten und dritten Stromes direkt und dem ersten. Eingangs strom umgekehrt proportional ist, der Kollektor strom eines der beiden mit dem dritten Eingangsstrom beaufschlagten Transistoren den Ausgangsstrom darstellt. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Trennverstärker als ein Transistordifferentialverstärker ausgeführt. Die Basisanschlüsse der den Differentialverstärker bildenden Transistoren sind mit den Basisanschlüssen der nicht auf der B eszugs spannung liegenden zu den beiden ersten Transistprpaaren gehörenden Trans! stör en verbunden, Der Ausgangsstrom wird dabei yom Kollektor strom einer zürn Trennverstärker in Kaskade ge schalteten Transistor stuf e gebildet. Für diese Transistor stufe eignet sich insbesondere eine Darlington-rSchaltung. .

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Schaltung in monolithischer Technik auf einem einzigen HaIbleiterplättchen ausgebildet ist. Dieses gilt sowohl für die beiden Transistorpaare in Pifferentialver stärker anordnung als auch für den Trennverstärker.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung bestght darin, daß die Eingangs ströme selber wieder Funktionen weiterer veränderlicher Grossen darstellen. Erfindungsgemäss kann die Schaltungsanordnung zur Verstärkungsregelung verwendet werden, wenn eine Eingangs signalquelle direkt mit der den zweiten Eingangs strom liefernden Stromquelle und über eine Speichereinrichtung-mit der den ersten Eingangsstrom liefernden Stromquelle gekoppelt ist. Der Ausgangsstrom stellt dabei die Regelgrösse, der zweite Eingangsstrom die zu regelnde Grosse und der erste Eingangsstrorn die Stellgrösse dar.

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Der dritte, Eingangs ström wirdin dieser besonder^en Äiiwfjidting: ,_r.,s:.. „ konstant gehalten. .---.-.." . -._: ^ _f, ,._:.-. , _"■ ...,, .,.-·., ■,,...".,.. ..«· .-,^. '„ „,,,

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Äusfiihrüngsbei spielen/ ...-unter Zuhilfenahme der. Zeichnungeri näher erläuterti, _J; . -■ . ..^. _i: > _ä

Es zeigen :

Fig. Γ ein teilweise Schematisches Schaltbild

der erfindungsgemägsen Anordnung;

Fig. 2 eine geeignete Lastschaltung für die

Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 und 4 zusätzliche vorteilhafte Ausführungsfor-

--"".'■'- men der Erfindung und . ₇

Fig. 5 die Darstellung einer für die_,Sch,altung

nach Fig. 4 geeigneten Lastschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemässe Schaltung besieht aus einem ersten Paar von Transistoren 1 und 2, die bezüglich ihre Kollektor-Basisstrecken kurzgeschlossen und deren Emitteranschlüsse direkt miteinander und mit einer Stromquelle 3 verbunden sind. Der Basis- bzw. Kollektoranschluss von Transistor 1 liegt auf Massepotential während der Basis- bzw. Kollektoranschluss von Transistor 2 an eine weitere Stromquelle 4 angeschlossen ist.

■ ': ; >- -.--ν'- '■' ■ - ■- : ^rrT -ii-i-l _

Ein zweites Transistorpaar besteht aus den Transistoren 5 und 6, deren Emitter anschlüsse direkt miteinander und mit der Stromquelle 7 verbunden sind. Der Basis- bzw. Kollektoranschluss von Transistor 6 liegt auf Massepotential. Der Basisanschluss von Transistor 5 ist an

die Stromquelie 4 angeschlossen, während im Kollektorkreis die Last-Docket EM ^-67-051 909838/0884

ORJGJNAt INSPECTED .

schaltung 10 liegt. Die in der Schaltung fliessenden Ströme sind mit x,y, ζ bezeichnet und die Richtung des Stromflusses ist jeweils durch den Pfeil angegeben. Durch die Last fliesst demnach der Strom w. Eine geeignete Lastschaltung 10 ist in Fig. 2 dargestellt und besteht aus einem Umkehrverstärker 11 mit einem Rückkopplungselement

Um die gewünschte Funktion der Schaltung nach Fig. 1 zu erreichen, ist es notwendig, daß die Transistoren 1 und 2 bezüglich ihrer Basis-Emitter Charakteristiken möglichst identisch sind. Dasselbe gilt für die Transistoren 5 und 6. Ferner muss jeder der Transistoren 1,2, 5 und 6 im linearen Bereich betrieben werden, d.· h. der Kollektorstrom soll in.linear er Weise abhängig sein vom Basisstrom.

Weiterhin sollte die Basis-Kollektorstrecke von Transistor 2 möglichst niederohmig kurzgeschlossen sein, was bei einer Realisierung in integrieter Technik am besten durch eine Metallisierungsschicht zu erreichen ist. Obwohl dieses grundsätzlich auch für die Basis-Kollektor strecken der Transistoren 1 und 6 gilt, kann bezüglich dieser Transistoren eine ordnungsgemässe Funktion jedoch solange erreicht werden, als die Impedanz des jeweils zugehörigen Kollektorkreises und die Kollektor spannung auf Massepotential bezogen genügend klein gehalten werden. Mit einem Anstieg der Impedanz des Kollektorkreises nimmt zwangsläufig die Arbeitsgeschwindigkeit ab. Weicht die Kollektor spannung weiter vom Massepotential ab, nimmt auch die Genauigkeit der Schaltung infolge der unterschiedlichen Verlustleistung der Transistoren 1 und 2 ab. Entsprechendes gilt für die Transistoren 5 und 6. Die in Figur 2 im Detail dargestellte Lastschaltung 10 liefert für den Transistor 5 eine nur sehr gering vom Massepotential abweichende Kollektor spannung.

Für eine einwandfreie Funktion der Schaltung empfiehlt es sich ferner, die Transistoren 1 und 2 sowie 5 und 6 möglichst eng thermisch zu koppeln. Damit die Schaltung mit der grösstmöglichsten Genauigkeit

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arbeitet, muss gefordert werden, daß der Strom χ wesentlich^grosser" als der Basisstrom von Transistor 5 und der Strom ζ grosser als der Strom χ ist.

Die in Figur 1 dargestellte Schaltung arbeitet wie folgt: Der Strom χ ist im wesentlichen gleich dem Emitterstrom von Transistor 2; _ der Basisstrom von Transistor 5 ist dabei vernachlässigbar klein.

Der Emitterstrom von Transistor 1 ist gleich der Differenz zwischen den Strömen ζ und χ. Bei konstanten Strom ζ verursacht eine Zunahme des Stromes χ eine Zunahme des Emitter Stromes und damit der Basis-Emitter Spannung von Transistor 2 und demzufolge eine Abnahme des Emitter ströme s bzw. der Basis-Emitter spannung von Transistor I, woraus eine Zunahme der Spannung am Basisanschluss vom Transistor 2 resultiert. '

Diese Ztuiahme der Spannung am Basisanschluss von Transistor 2 hat einen entsprechenden Anstieg des Ausgangsstromes w zur Folge. Im einzelnen wird die Spannung am Basis anschluss des Transistors 5 positiver, wodurch sich die Basis-Emitter spannung von Transistor 5 erhöht bzw* die Basis-Emitter spannung von Transistor 6 erniedrigt, so daß ein grösserer Anteil des Stromes y in den Emitteranschluss von Transistor 5 und nur ein kleinerer Anteil des Stromes y in den Emitteranschluss von Transistor 6 flies st. Für die Abhängigkeit der Basis-Emitterspannung ν vom Emitter strom i gilt r

- .. ■ ■■=---■■ ... :■■ ^v = V+e.InL \M) ; —·^

Es bedeuten :

V die Basis-Emitterspannung bei, einem Emitterstrom von einer StromV einheit (i=l); -·■ ;

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e den Kleinsignalwider stand der Basis-Emitterdiode bei einem Emitter strom von einer Stromeinheit und . ;

In den natürlichen Logarithmus.

Die Spannung am Verbindungspunkt a in Fig. 1 ergibt sich demnach

_: .Va = - (yi+el In (z-xVl + (j2 ± eZ In (x)]= .

- Jy6+e6 In. (y-wQ.+ [V5+ e5 In (w)J -....' (2)

Dabei stellen die Ausdrücke in den rechteckigen Klammern die Basis-Emitterspannungen der einzelnen Transistoren in AbhängijgkeiiL.. vom jeweiligen Strom dar. Da infolge der Gleichheit der Charakteristiken der Transistoren Vl gleich V2 und V6 gleich V5 sow^ie el gleich eZ und e6 gleich.e5.ist, kann Gleichung. (2) wie folgt umgeschrieben , · werden : „ _. ........

Z-X V-W ,_.

—-— = en ^Λ —- (3)

W =

Daraus .wird deutlich, daß. die SchaJ^ng nach Fig. 1 zur Produkt- ,; .· und/oder QuotientenbÜdung geeignet ist, wobei der Strom w proportio--_r. nal dem Produkt der Ströme χ und y geteilt durch den Wert des Stromes ζ ist. Wirjd der Strom ζ könstantgehalten~, bildet die Schaltung das Produkt x. y. Hält man einen der Ströme χ oder y konstant, bildet die

■ χ y i

Schaltung den Quotienten — bzw. -¹-.

Z Z

Die erfindungsg^mässe Schaltuni näch^Fig; ^^SM^v

t .--..■.-. —'t-Y* j⁵·- als Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung dienenV inäem

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ORlG^AL INSPECTED

man eine Eingangs signalquelle 20 mit der Stromquelle 7 derart verbindet, daß der Strom y sich in Abhängigkeit von der momentanen. "-' Eingangssignalspannung El ändert. Die Eingangs signale El werden ' gleichzeitig auf eine Speichereinrichtung 21 geführt, aufgrund derer der Wert des Stromes ζ Üer Stromquelle 3 eine bestimmte Abhängigkeit von El annimmt. Beispielsweise kann die in einem konventionellen Kondensatorspeicher gespeicherte Spannung den Amplitudenwert, den Spitzenwert eic. der Eingangsspannung darstellen. >"

Es soll beispielsweise für diesen bestimmten Anwendungsfäil üer;" automatischen Verstärkungsregelung einmal angenommen werden, daß sich der Verstärkungsfaktor umgekehrt proportional zum Amplituden.-'" mittelwert der Eingangssignale ET ändert. In einem solchen Fäll wird in der Speichereinrichtung 21 eine Spannung gespeichert, die eine direkte Funktion dieses Amplitudenmittelwertes der Eingangs signale ist. Diese Spannung wird derart in Änderungen des Stromes der Strom- ' quelle 3 umgeformt, daß der Strom ζ seinerseits direkt eine Funktion der in der Speichereinrichtung 21 gespeicherten Spannung ist. Wie bereits oben geschildert', liefert die Schaltung nach Fig. 1 einen "' Ausgangsstrom w, der gleich dem Produkt der Ströme χ und y geteilt'* durch den Wert des Stromes ζ ist. Wenn sich der Wert des Stromes χ nicht ändert, wird der Strorn w'dargestellt durch die¹ Funktion y geteiit durch z. Mit zunehmendem Amplitudenmittelwert der" Eingangs signale " ' nimmt auch der Strom ζ zu und die Eingangssignale werden'nur mit ~: "■' einem kleinen Faktor multipliziert. Da der Wert ζ diTekt vom Ampli - ". tudenmitteKvert der Eingangs signale abhängig ist, wird auf diese Weise eine:HÜiom^atis:che ,Verstärkungsregelung erreicht. ^!· ·■-·.■ ' >

Für Anwendungen mit grössef er gefordertet Genaüi'gtkei^'kähn^n ·;"·'· vorteilhafter-W/eise eiri Spannungstrennver stärker »mit dem Verstärk ·- '■ -' kungsfakto,r,,lr,;;wie: %. Bv, 25Λη Fig.- 3. zwischen die Stromquelle 4 ün;d '^;:' '" dem Tr.ansistpr.-5 eingeschaltet werden; In diesem Fall'Wir;d^;zusätz-- '^^:' lieh die Basjs-Kollektoretrecke des Transistors 5 kurzgeechlossenv: '.,',"'

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ORiQiNALIfSlSPECTED

Diese Zwischenschaltung gewährleistet, daß im wesentlichen der gesamte von der Stromquelle 4 bereitgestellte Strom der Basis bzw. dem Kollektor von Transistor 2 zugeführt wird. Im übrigen ist die Schaltung gernäss Fig. 3 mit der in Fig. 1 identisch und arbeitet im wesentlichen genauso.

Eine vorteilhafte Realisierung der Schaltung von Fig. 3 ist in Fig. dargestellt. Entsprechende Bauelemente der Schaltungen in Fig. 4 und Fig. 1 sind gleichbezeichnet. Die Schaltung in Fig. 4 enthält wiederum ein erstes Transistorpaar mit den Transistoren 1 und 2, die an die Stromquelle 3 angeschlossen sind, sowie ein zweites an die Stromquelle 7 angeschlossenes Transistorpaar 5 und 6. Der Spannungstrennverstärker 25 mit dem Verstärkungsfaktor 1 besteht einmal aus den Transistoren 26 und 27, deren Emitter anschlüsse miteinander und mit einer Stromquelle 28 verbunden sind. Der Basisanschluss von Transistor 26 ist an die Stromquelle 4 und der Kollektor anschluss an die Klemme 29 mit positiver Spannung angeschlossen. Der Kollektoranschluss des Transistors 27 ist einmal mit der Stromquelle 30 und zürn andern mit dem Basiasansch'luss von Transistor 31 verbunden. Die Transistoren 31 und 32 bilden eine Darlington-Schaltung, in deren Kollektorkreis die Lastschaltung 33 eingeschaltet ist. Die Gegenkopplung für den Trennverstärker 25 wird durch die direkte Verbindung des Emitteranschlusses von Transistor 32 mit dem Basisanschluss von Transistor 27 bewerkstelligt.

Die Gegenkopplung für den Verstärker 25 wird durch die direkte Verbindung des Emitteranschlusses von Transistor 32 mit dem Basisanschluss von Transistor 27 bewerkstelligt. Am Emitteranschluss von Transistor 32 steht auch das Ausgangs signal des Verstärkers 25 zur Verfügung, weshalb dieser Anschluss auch mit dem Basis anschluss des hinsichtlich seiner Basis-Kollektorstrecke kurzgeschlossenen Transistors 5 verbunden ist.

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Der Strompegel der Stromquelle 30 kann im Verhältnis zum Pegel der Stromquelle 28 derart eingestellt werden, daß eventuelle Ungleichheiten in den Transistorcharakteristiken der Transistorpaare 1, 2 und 5, 6 kompensiert werden. Eine für die Schaltung nach Fig. 4 geeignete Lastschaltung ist in Fig. 5 dargestellt und besteht aus einem über ein Gegenkopplungselement 36 rückgekoppelten Umkehrverstärker 35.

Schliesslich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von NPN-Transistoren bzw. - Transistorpaar en.beschränkt, sondern kann bei entsprechend umgekehrter Polarität der Versorgungsspannungen bzw. Aussteuersignale auch mit PNP-Transistoren realisiert werden. Infolge der aus s chliessuchen Verwendung von Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps eignet sich die erfindungsgemässe Schaltung vorzüglich für eine Realisierung in monolithischer Schaltkreiste chnile. In den Figuren sind die im Zuge der Integration auf einem einzigen Halbleiterplättchen realisierbaren Schaltungsteile gestrichelt umrahmt.

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Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung, bei det die Funktionsgrössen durch elektrische Ströme dar ge- ./■ ■stellt werden,
gekennzeichnet durch

zwei jeweils in Differentialverstärkeranordnung geschaltete Transistorpaare (1, 2; 5, 6), die mit einem ersten (z) bzw. zweiten (y) Eingangsstrom als Summenst'rom beaufschlagt werden, deren entsprechende Basisanschlüsse miteinander verbunden und an eine Bezugsspannungsquelle (Masse) bzw; eine einen dritten Eirigangsstrom (x) liefernde Stromquelle angeschlossen sind, wobei der die jeweilige Schaltungsfunktion darstellende Ausgangsstrom (w) dem." Kollektorström eines-der Transistoren proportional ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die nicht den Ausgangs strom (w) liefernden Transistoren (1, 2, 6) der beiden in Differentialverstärkeranordnung geschalteten Transistorpaare (1, 2;5, 6) bezüglich ihrer Kollektor-Basisstrecken kurzgeschlossen sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung der Funktion (w = ), wonach der Ausgangsstrom (w) dem Produkt des zweiten (y) und dritten (x) Stromes direkt und dem ersten Eingangs strom (z) umgekehrt proportional ist, der Kollektor strom eines der beiden mit dem dritten Eingangs strom (x) beaufschlagten Transistoren (2, 5) den Ausgangs strom (w) darstellt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren der beiden in Differentialverstärker anordnung geschalteten Transistorpaare (l,2;5, 6) bezüglich ihrer Kollektor-Basisstrecken kurzgeschlossen sind und zwischen den Basisanschlüssen

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der mit dem dritten Eingangs strom (x) beaufschlagtenTransistoren (2,5) ein Trennverstärker (25) eingeschaltet ist. - ; .y-

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Trennverstärker (25) als ein Tränsistor-Differentialverstärker (26, 27) ausgeführt ist, dessen Basisanschlüsse mit den nicht auf der Bezugs spannung (Masse) liegenden Basisanschlüssen der zu den beiden ersten Transistorpaaren (1, 2;5, 6) gehörigen Transistoren (2, 5) verbunden sind, und daß der Ausgangsstrom (w) vom Kollektor strom, einer zum Trennverstärker (25) in Kaskade geschalteten Transistor- » stufe (31, 32) gebildet wird.

6. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch deren Ausbildung in monolithischer Technik auf einem einzigen Halbleiterplättchen.

7. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs ströme (x, y, z) Funktionen weiterer veränderlicher Grossen darstellen.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Eingangssignalquelle (20) direkt mit der den zweiten Eingangs-•strom (y) liefernden Stromquelle (7) und über eine Speichereinrichtung (21) mit der den ersten Eingangs strom (z) liefernden Stromquelle (3) gekoppelt ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch deren Verwendung als Verstärkungsregelungsschaltung, wobei der Ausgangsstrom, (w) die Regelgrösse, der zweite Eingangs strom (y) die zu regelnde Grosse und der erste Eingangsstrom (z) die Stellgrösse darstellt und der dritte Eingangsstrom (x) konstant gehalten wird.

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